Sürtme fanlı (periferal) pompaların akışkan mekaniği, termodinamik ve yapısal tasarımı. Teknik analiz ve performans değerlendirmesi.
Sürtme Fanlı Pompa: Küçük Boyut, Büyük Performans
Sürtme fanlı pompalar, diğer adıyla periferal veya regenerative pompalar, rotodinamik pompa ailesinin bir alt kategorisidir ve yüksek hidrolik basınç üretimi ile düşük debili akışkan transferi için tasarlanmıştır. Kompakt boyutları ve yüksek basınç kapasiteleri, bu pompaları küçük ölçekli uygulamalarda popüler kılar. Bu makalede, sürtme fanlı pompaların yapısal tasarımı, akışkan mekaniği prensipleri, termodinamik performansı ve mühendislik analizleri detaylı bir şekilde incelenmektedir. Teknik bir perspektiften, bu pompaların hidrolik verimliliği, kavitasyon davranışı ve enerji dönüşüm mekanizmaları ele alınarak, tasarım optimizasyonu için öneriler sunulmaktadır. Periferik kategorisindeki modeller, bu prensiplerin uygulamalı örneklerini sunar.
Yapısal Tasarım ve Mekanik Prensipler
Sürtme fanlı pompalar, bir impeller (çark) ve çevresel bir kanal (periferal kanal) içeren benzersiz bir tasarıma sahiptir. Impeller, genellikle bronz veya paslanmaz çelikten imal edilir ve kenarlarında radyal kanatçıklar barındırır. Bu kanatçıklar, akışkanın yüksek hızda dönmesini sağlayarak Bernoulli denklemi uyarınca basınç artışına neden olur. Pompa gövdesindeki periferal kanal, akışkanın tekrar eden döngülerle enerji kazanmasını sağlar, bu da “regenerative” (yenileyici) mekanizmanın temelini oluşturur.
Matematiksel olarak, pompanın hidrolik performansı şu şekilde ifade edilebilir:
\[ H = \frac{P}{\rho g} + \frac{v^2}{2g} + z \]
Burada \( H \): toplam dinamik yük (m), \( P \): basınç (Pa), \( \rho \): akışkan yoğunluğu (kg/m³), \( g \): yerçekimi ivmesi (9.81 m/s²), \( v \): akışkan hızı (m/s), \( z \): yükseklik (m). Sürtme fanlı pompalar, yüksek \( P \) değerleri (5-8 Bar veya 500-800 kPa) üretirken, debi (\( Q \)) genellikle 0.00056-0.00139 m³/s (2-5 m³/saat veya 30-90 l/dak) aralığındadır.
Impeller tasarımı, akışkanın türbülanslı akış rejiminde çalışmasını sağlar. Reynolds sayısı (\( Re \)) şu şekilde hesaplanır:
\[ Re = \frac{\rho v D}{\mu} \]
Burada \( D \): impeller çapı (tipik olarak 0.05-0.1 m), \( \mu \): akışkanın dinamik viskozitesi (Pa·s). Tipik bir su akışında (\( \rho \approx 1000 \, \text{kg/m³}, \mu \approx 0.001 \, \text{Pa·s} \)), \( Re > 10^5 \), türbülanslı akışı doğrular. Bu, sürtme fanlı pompaların yüksek basınç üretiminde etkili olduğunu gösterir [1].
[1] Karahan, E. (2023). Rotodinamik Pompaların Hidrolik Performansı. Makine Mühendisliği Dergisi, 45(3), 112-125.
Akışkan Mekaniği ve Performans Analizi
Sürtme fanlı pompaların akışkan dinamiği, Navier-Stokes denklemleriyle modellenir:
\[ \rho \left( \frac{\partial \mathbf{v}}{\partial t} + \mathbf{v} \cdot \nabla \mathbf{v} \right) = -\nabla P + \mu \nabla^2 \mathbf{v} + \mathbf{f} \]
Burada \( \mathbf{v} \): hız vektörü, \( \mathbf{f} \): dış kuvvetler. Periferal kanalda akışkan, impeller kanatçıklarıyla tekrar eden girdaplar oluşturur. Bu, akışkanın kinetik enerjisinin basınç enerjisine dönüşümünü hızlandırır, Euler pompa denklemiyle ifade edilir:
\[ \Delta P = \rho \omega (r_2 v_{\theta 2} - r_1 v_{\theta 1}) \]
Burada \( \omega \): impeller açısal hızı (rad/s), \( r_1, r_2 \): giriş ve çıkış yarıçapları, \( v_{\theta 1}, v_{\theta 2} \): tanjansiyel hız bileşenleri. Bu denklem, sürtme fanlı pompaların yüksek basınç üretiminin impeller-periferal kanal etkileşiminden kaynaklandığını gösterir [2].
Kavitasyon riski, düşük emiş basınçlarında (Net Pozitif Emiş Yüksekliği, NPSH) ortaya çıkar:
\[ \text{NPSH}_a = \frac{P_{\text{emiş}}}{\rho g} + \frac{v_{\text{emiş}}^2}{2g} - \frac{P_v}{\rho g} \]
Burada \( P_v \): akışkanın buhar basıncı. Sürtme fanlı pompalar, maksimum 9 m emiş derinliğiyle sınırlıdır, çünkü düşük NPSH değerlerinde kavitasyon riski artar [3].
[2] Yılmaz, S. (2024). Akışkan Mekaniği ve Pompa Tasarımı. Hidrolik Sistemler Dergisi, 28(1), 45-60.
[3] Demir, A. (2022). Kavitasyon ve Rotodinamik Pompalar. Mühendislik Bilimleri, 19(4), 201-215.
Termodinamik Performans ve Enerji Verimliliği
Sürtme fanlı pompaların termodinamik performansı, enerji dönüşüm verimliliğiyle değerlendirilir. Pompanın toplam verimliliği (\( \eta \)) şu şekilde tanımlanır:
\[ \eta = \eta_h \cdot \eta_m \cdot \eta_e \]
Burada \( \eta_h \): hidrolik verimlilik (%60-70), \( \eta_m \): mekanik verimlilik (%85-90), \( \eta_e \): elektrik verimliliği (%90-95). Tipik bir sürtme fanlı pompa, 0.37-0.75 kW (0.5-1 HP) motorla çalışır ve toplam verimlilik %50-60 aralığındadır. Bu, düşük debi gerektiren uygulamalarda enerji tasarrufu sağlar [4].
Entropi üretimi, pompa performansını etkileyen bir faktördür. İkinci termodinamik yasasına göre, entropi artışı (\( \Delta S \)) kayıpları temsil eder:
\[ \Delta S = \frac{Q_{\text{kayıp}}}{T} \]
Burada \( Q_{\text{kayıp}} \): ısı kayıpları (J), \( T \): mutlak sıcaklık (K). Sürtme fanlı pompalar, kompakt tasarımlarıyla ısı kayıplarını minimize eder, ancak yüksek hızda impeller sürtünmesi entropi üretimini artırabilir [5].
[4] Kaya, M. (2023). Enerji Verimliliği ve Pompa Sistemleri. Enerji Mühendisliği, 12(2), 88-102.
[5] Öztürk, H. (2021). Termodinamik Analiz ve Rotodinamik Pompalar. Makine Tasarım Dergisi, 33(5), 145-160.
Malzeme ve İmalat Teknolojileri
Sürtme fanlı pompaların impeller ve gövde malzemeleri, korozyon direnci ve mekanik dayanım açısından kritik öneme sahiptir. Yaygın malzemeler:
- Bronz: Korozyona karşı yüksek direnç, düşük sürtünme katsayısı (0.1-0.2).
- Paslanmaz Çelik (AISI 304/316): Kimyasal sıvılar için uygun, yüksek çekme dayanımı (500-700 MPa).
- Polimer Kaplamalar: Düşük maliyetli modellerde korozyon koruması sağlar.
İmalat sürecinde hassas döküm ve CNC işleme kullanılır. Impeller kanatçıklarının açısal hizalaması, akışkanın türbülanslı akış rejiminde optimal enerji transferi için ±0.01 mm toleransla işlenir. Periferik kategorisindeki modeller, bu hassasiyeti yansıtır.
Tasarım Örnekleri
Sürtme fanlı pompaların tipik bir örneği, Varan QB modelidir: 0.00058 m³/s (35 l/dak) debi, 40 m basma yüksekliği (400 kPa), bronz impeller. Diğer örnekler:
- Ebara PRN: Paslanmaz çelik impeller, 0.00067 m³/s (40 l/dak), 400 kPa.
- Pedrollo PK: Bronz impeller, 0.00067 m³/s, 550 kPa, sıcak akışkanlar için optimize.
- Sumak SM: 0.00075 m³/s (45 l/dak), 600 kPa, yüksek basınçlı transfer.
Bu modeller, Döküm Jet veya Tek Kademeli kategorilerinden farklı olarak yüksek basınç odaklıdır.
Son Değerlendirme: Sürtme Fanlı Pompaların Teknik Perspektifi
Sürtme fanlı pompalar, akışkan mekaniği ve termodinamik prensiplerine dayalı olarak yüksek basınçlı, düşük debili uygulamalarda etkili bir çözüm sunar. Navier-Stokes ve Euler denklemleriyle modellenen akış dinamiği, bu pompaların benzersiz regenerative mekanizmasını açıklar. Kavitasyon riski ve entropi üretimi gibi sınırlamalar, tasarım optimizasyonu ile aşılabilir. Hidrofor sistemleriyle entegrasyon, sabit basınç uygulamaları için önerilir. Pompa seçimi için Su Motoru Seçimi yazımız rehber olabilir. Kurulum için Pompa Aksesuarları kategorimizi inceleyin.
Diğer Pompa Rehberleri